CSR和CSR-H的焊接系數(shù)研究

吳劍國(guó) 朱榮成 馬 劍

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院 杭州310032；2.中國(guó)船級(jí)社 上海規(guī)范與技術(shù)中心 上海200135）

引 言

焊接系數(shù)（Weld Factor）是焊縫剪切強(qiáng)度系數(shù)wτ（Fillet Weld Factor On Shear Strength）的簡(jiǎn)稱(chēng)，其定義為角焊縫焊喉厚度與腹板厚度之比。船體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和承受載荷的多樣性，使得船體結(jié)構(gòu)角焊縫的計(jì)算極其復(fù)雜，而且工作量巨大。為方便設(shè)計(jì)者進(jìn)行焊縫設(shè)計(jì)，國(guó)際上各船級(jí)社經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工程經(jīng)驗(yàn)的積累，總結(jié)提出了計(jì)算船體結(jié)構(gòu)角焊縫尺寸的簡(jiǎn)便方法——焊縫系數(shù)法。其中，不僅融合了大量的結(jié)構(gòu)受力分析，而且包含著試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)多年演變至今，形成現(xiàn)行的焊接系數(shù)規(guī)格表。然而，由于種種原因，焊接系數(shù)規(guī)格表系統(tǒng)完整的數(shù)據(jù)來(lái)源已不可循。ISSC-296［1］為分析角焊縫的強(qiáng)度，推薦采用非線(xiàn)性有限元方法進(jìn)行大量的角焊縫分析，確定焊縫的最小尺寸，并建議采用光彈或類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證數(shù)學(xué)建模和計(jì)算結(jié)果的有效性。ISSC-323［2］使用簡(jiǎn)單的工程設(shè)計(jì)方法，通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證美國(guó)船級(jí)社（ABS）角焊縫尺寸，并把它們改成更加實(shí)用的形式，比其他規(guī)則更便于設(shè)計(jì)者使用。

我國(guó)造船業(yè)對(duì)焊接系數(shù)也曾做過(guò)一些研究［3-4］。焊縫設(shè)計(jì)的要求作為規(guī)范不可或缺的一部分，同樣需要按照GBS的要求進(jìn)行驗(yàn)證并接受審核。為此，中國(guó)船級(jí)社上海規(guī)范研究所聯(lián)合浙江工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了船舶結(jié)構(gòu)焊接系數(shù)的方法確定和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的研究，通過(guò)實(shí)船的計(jì)算分析［7-9］，證明目前規(guī)范（包括CSR-H）中的焊接系數(shù)的取值符合GBS船舶安全性的要求。

1 CSR與CSR-H對(duì)比

通過(guò)對(duì)CSR和CSR-H中的焊接系數(shù)的定性分析和計(jì)算比較，得出以下結(jié)論：

（1）聯(lián)系焊縫的焊接系數(shù)普遍較小，承載焊縫的焊接系數(shù)普遍較大。

（2）一些承擔(dān)載荷較小的次要構(gòu)件，如骨材，其焊接系數(shù)水平均較低。船體桁材等主要支撐構(gòu)件的焊接系數(shù)較大，使其能有效地傳遞并承擔(dān)載荷。

（3）對(duì)于焊接系數(shù)的取值還要考慮到其所在的位置，不同位置處由于構(gòu)件承受橫向載荷的不同，焊接系數(shù)也會(huì)有所變化。通常側(cè)向載荷較大，焊接系數(shù)也較大，如貨油艙區(qū)域。

（4）非密性的板材與密性板材的焊接系數(shù)差別很大，密性板材焊接系數(shù)要高于非密性板材。

（5）構(gòu)件跨度會(huì)影響焊接系數(shù)的大小。一般說(shuō)來(lái)，構(gòu)件的跨度越大其焊接系數(shù)就越大，反之亦然。在同一跨度中，端部的焊接系數(shù)往往會(huì)高于跨中。

（6）板材厚度不同，焊接系數(shù)的大小也會(huì)不同。

定性分析確定焊接系數(shù)的影響因素，為焊縫應(yīng)力分析模型的建立以及焊接利用因子的確定打下了基礎(chǔ)。

對(duì)于載重噸為76 000 t的散貨船和115 000 t的雙殼油船，分別應(yīng)用CSR與CSR-H，計(jì)算出各個(gè)部位的焊腳尺寸，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 CSR與CSR-H對(duì)焊腳尺寸的要求

初步分析表明：CSR-H的焊接系數(shù)總體上不小于CSR的焊接系數(shù)。因此，只要驗(yàn)證CSR焊接系數(shù)的安全性，CSR-H焊接系數(shù)即同樣安全。

2 焊接系數(shù)利用因子的確定

結(jié)構(gòu)有限元方法可以準(zhǔn)確地計(jì)算出船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。那么，如何從實(shí)船有限元計(jì)算模型中獲得各類(lèi)構(gòu)件焊縫處的應(yīng)力，進(jìn)行焊接系數(shù)規(guī)范要求的驗(yàn)證呢？項(xiàng)目組為此構(gòu)建了8種焊縫強(qiáng)度計(jì)算模型和船體焊縫強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，建立一套采用有限元模型的焊接系數(shù)利用因子計(jì)算方法。重點(diǎn)解決了以下三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

（1）在有限元模型中提取哪些應(yīng)力成分。有限元計(jì)算可以提供的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果很多，哪些是能表征焊縫強(qiáng)度的應(yīng)力分量，這些量又如何與焊縫強(qiáng)度建立聯(lián)系，是首先需要解決的問(wèn)題。針對(duì)船體不同部位構(gòu)件的受力特點(diǎn)，構(gòu)造出8種焊縫應(yīng)力計(jì)算模型，對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)和載荷，相應(yīng)于不同的計(jì)算模型，需要提取不同的應(yīng)力。

（2）有限元的應(yīng)力結(jié)果與焊縫理論公式計(jì)算值是否一致。由于實(shí)船體量龐大，船體結(jié)構(gòu)有限元分析所用單元的尺度較大，通常板單元都在800 mm×800 mm左右，而焊腳高度一般都在10 mm以下，不可能在實(shí)船模型中建立焊縫模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐帧Ｒ虼?，如何表征焊縫處的應(yīng)力、建立焊腳高度與焊縫應(yīng)力的關(guān)系，是本方法第二個(gè)要解決的問(wèn)題。

（3）角焊縫有限元計(jì)算的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，即焊縫強(qiáng)度許用值。要獲得焊縫的焊接系數(shù)利用因子，就需要確定角焊縫有限元計(jì)算的焊縫強(qiáng)度許用值。而通常的焊縫強(qiáng)度許用值是根據(jù)建筑鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范確定的，不能直接應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算。兩者存在兩個(gè)差別：一是載荷與強(qiáng)度的體系不同；二是計(jì)算模型不同，一個(gè)是基于近似的焊縫平均應(yīng)力公式，一個(gè)是基于結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算。

利用13艘CSR實(shí)船的有限元應(yīng)力計(jì)算模型，獲得了各種構(gòu)件、各個(gè)工況的焊縫應(yīng)力，進(jìn)行了規(guī)范焊接系數(shù)的驗(yàn)證。焊接系數(shù)利用因子結(jié)果匯總見(jiàn)表2和表3。

焊縫強(qiáng)度利用因子的定義如下：

通過(guò)13艘實(shí)船的焊接利用因子計(jì)算表明：

（1）對(duì)CSR-OT：肋板對(duì)內(nèi)外底板、垂向肋板對(duì)舷側(cè)內(nèi)外板、橫艙壁對(duì)內(nèi)底板處的焊接系數(shù)利用因子雖滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，但最大利用因子分布約0.9，均值約0.3；中桁材和旁桁材對(duì)內(nèi)外底板、肋板對(duì)縱桁處的焊接系數(shù)利用因子滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，最大利用因子分布0.7左右，均值在0.3左右；骨材對(duì)甲板、邊艙、底板處的焊接系數(shù)的最大利用因子分布0.2左右，均值在0.2左右，強(qiáng)度裕度較大。

（2）對(duì)CSR-BC：中桁材、旁桁材對(duì)內(nèi)外底板處的焊接系數(shù)利用因子滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，最大利用因子分布約0.9，均值約0.35；肋板對(duì)內(nèi)外底板、肋板對(duì)縱桁處的焊接系數(shù)利用因子雖滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，但最大利用因子分布約0.9，均值約0.45；骨材對(duì)甲板、邊艙、底板處的焊接系數(shù)的最大利用因子分布約0.5，均值約0.2，強(qiáng)度裕度較大。

表2 CSR-OT焊接系數(shù)利用因子

表3 CSR-BC焊接系數(shù)利用因子

（3）總體而言，肋板和縱桁處焊接系數(shù)利用因子較高，骨材處焊接系數(shù)利用因子較低。

（4）現(xiàn)行船舶規(guī)范焊接系數(shù)均滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，有些構(gòu)件應(yīng)力利用因子較低，有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

3 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步研究船體構(gòu)件間焊縫的受力性能，設(shè)計(jì)了焊接短柱和鋼梁的焊縫強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)的主要目的是確定焊縫剪切強(qiáng)度和驗(yàn)證角焊縫剪應(yīng)力。

為此，項(xiàng)目組完成了4組短柱的焊縫受剪破壞試驗(yàn)（如圖1所示），4個(gè)板條梁的焊縫模型實(shí)驗(yàn)（如圖2所示），測(cè)試多種載荷作用下板條梁及焊縫的應(yīng)力。

圖1 短柱焊縫剪切破壞試驗(yàn)

圖2 焊接工字梁的彎剪試驗(yàn)實(shí)圖

對(duì)比短柱的焊縫受剪和梁的彎剪焊縫應(yīng)力測(cè)試值與焊縫應(yīng)力的理論計(jì)算值表明，焊縫應(yīng)力的理論計(jì)算方法正確，具有較高精度?，F(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的安全系數(shù)在2.0倍以上，而實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證梁的聯(lián)系焊縫破壞試驗(yàn)與理論值之比達(dá)4.22，通常鋼結(jié)構(gòu)角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值用于船體梁聯(lián)系角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)偏于保守。

4 結(jié) 論

項(xiàng)目組從理論、計(jì)算、試驗(yàn)三個(gè)方面對(duì)CSR和CSR-H中焊接系數(shù)的利用因子進(jìn)行研究并驗(yàn)證現(xiàn)行規(guī)范，包括CSR-H焊接系數(shù)的安全性。建立了一套確定船體結(jié)構(gòu)焊接系數(shù)的理論方法，為規(guī)范今后的發(fā)展——建立基于凈尺寸的焊接系數(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］ ISSC296.Review of fillet weld strength parameters for shipbuilding［S］.Ship Structure Committee 296，1980.

［2］ ISSC323.Updating of fillet weld strength parameters for commercial shipbuilding［S］.Ship Structure Committee 323，1984.

［3］ 王承權(quán).船體結(jié)構(gòu)角焊縫的受力分析與剪切強(qiáng)度系數(shù)［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1983（2）：35-42.

［4］ 周浩森，王敏.正面角焊縫的靜載強(qiáng)度及其計(jì)算公式的探討［J］.焊接學(xué)報(bào)，1987（3）：141-151.

［5］ 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范［M］.北京：人民交通出版社，2014.

［6］ IACS.Common Structural Rules for Bulk Carriers and Double Oil tankers.2014.

［7］ 吳華鋒，吳劍國(guó)，朱榮成.船底結(jié)構(gòu)的焊縫強(qiáng)度研究［J］.船舶，2012（5）：43-47.

［8］ 余東方，吳劍國(guó)，沈傳釗，等.平面艙壁周界的焊縫研究［J］.船舶，2014（5）：56-60.

［9］ 牛思彬，吳劍國(guó)，沈傳釗，等.船體結(jié)構(gòu)角焊縫的應(yīng)力分析與試驗(yàn)［J］.造船技術(shù)，2014（6）：46-49.